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Kleine Wüstenalge könnte Nutzpflanzen helfen, Hitze und Dürre zu überstehen
Eine Grünalge aus der Negev-Wüste wächst ungewöhnlich schnell und bleibt selbst unter extremer Beleuchtung photosynthetisch aktiv. Eine aktuelle Fachpublikation bündelt die physiologischen, molekularen und metabolischen Besonderheiten von Chlorella ohadii und zeigt, wie die Alge diese ungewöhnliche Kombination erreicht. Ihre Mechanismen könnten langfristig helfen, Photosynthese und Stressresistenz von Nutzpflanzen zu verbessern.
Kaiserslautern (Deutschland). Pflanzen müssen bei Hitze, Trockenheit oder zu viel Licht ihre Photosynthese schützen und verlieren dabei häufig an Wachstum. Gerade deshalb suchen Forscher nach Organismen, bei denen hohe Produktivität und Widerstandsfähigkeit zusammenkommen. Eine solche Ausnahme ist die einzellige Grünalge Chlorella ohadii aus biologischen Bodenkrusten der Negev-Wüste.
Dort wechseln sich Austrocknung und kurze feuchte Phasen ab, während die Oberflächentemperatur im Sommer bis zu 60 Grad Celsius erreichen kann. Zugleich treffen die Zellen auf extrem hohe Lichtstärken von etwa 2.000 Mikromol Photonen pro Quadratmeter und Sekunde. Schon frühere Untersuchungen zeigten, warum Algen schneller wachsen als Nutzpflanzen. Chlorella ohadii geht noch einen Schritt weiter, weil sie schnelles Wachstum mit außergewöhnlicher Lichttoleranz verbindet.
Forscher der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) um Juniorprofessor Dr. Haim Treves haben nun die bislang bekannten physiologischen, strukturellen und metabolischen Besonderheiten der Wüstenalge zusammengeführt. Treves ist der Corresponding Author der aktuellen Fachpublikation. Die Auswertung zeigt, dass Chlorella ohadii unter günstigen Bedingungen Generationszeiten von etwa 1,5 bis 2,5 Stunden erreicht und damit zu den am schnellsten wachsenden photosynthetischen Eukaryoten zählt.
„Wie man es von einer Wüstenalge erwartet, wächst sie selbst bei doppelt so starker Sonneneinstrahlung wie bei voller Sonne weiter und betreibt Photosynthese. Was dabei verblüffend ist: Sie erzielt Wachstumsraten, die von keinem anderen phototrophen Organismus erreicht werden, der Sonnenlicht als Energiequelle nutzt. Gleichzeitig nutzt sie Sonnenlicht besonders effektiv für die Photosynthese“, so Haim Treves.
Ein Teil dieser Widerstandskraft steckt direkt in den Photosystemen. Das besonders lichtempfindliche Photosystem II ist ungewöhnlich stabil und wird durch mehrere Schutzmechanismen entlastet. Dazu gehört eine stark verkleinerte Lichtsammelantenne, die unter extremer Beleuchtung weiter reduziert wird. So gelangt weniger überschüssige Energie in das System, während schnelle zyklische Elektronenflüsse dabei helfen, Elektronen abzuleiten und Schäden zu begrenzen.
Auch Photosystem I verändert sich bei hoher Beleuchtung. Bestimmte Untereinheiten und ein Teil seiner Antenne fehlen dann, während sich zugleich die Pigmentzusammensetzung verschiebt. Diese Umbauten verändern den Energietransfer und ergänzen die Schutzmechanismen, mit denen die Alge ihre Photosynthese unter extremem Licht stabil hält.
Entscheidend ist jedoch nicht nur der Schutz der Photosysteme. Chlorella ohadii kann die große Menge an Energie und Reduktionskraft auch schnell in Wachstum und Stoffwechsel überführen. Nach einem 30-fachen Anstieg der eingestrahlten Lichtstärke stiegen Photosynthese und Wachstum in den zugrunde liegenden Versuchen auf mehr als das Doppelte. Innerhalb von drei Minuten verändert sich bei rund 85 Prozent der redoxempfindlichen Proteine der Reduktionszustand, und nach etwa 15 bis 20 Minuten stellt sich ein neuer stabiler Zustand der Photosynthese ein.
„Ein Beispiel sind die außergewöhnlich hohen Stoffwechselraten. In der Wüste hat die Grünalge jeden Morgen weniger als eine Stunde Zeit zum Wachsen. Sie muss schnell und flexibel auf die wechselnden Bedingungen reagieren. Das gelingt ihr dadurch, dass die vom Licht angetriebenen Redox-Reaktionen superschnell ablaufen“, erklärt Haim Treves.
Die Alge hält dafür schon bei schwächerem Licht vergleichswe